JP2017094442A - Machining apparatus and machining method using superconductor - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide machining that has flexibility and that is applicable to complex product shapes by trapping a magnet functioning as a tool at a fixed place through a pin retention effect to eliminate the necessity of cooling the tool and a machined part itself.SOLUTION: A cooled superconductor is housed and fixed in a heat-insulated container installed on a rotary-driven rotary table or a vibration-driven vibration table. A magnet functioning as a tool is arranged adjacently to the superconductor and, during a machining operation, the magnet is driven accompanying the rotary-driven or vibration-driven superconductor while retaining the magnet at the position of a fixed height from a superconductor and floating the magnet by using the pin retention effect of the superconductor. A workpiece is machined by controlling feeding of at least one of the workpiece and the superconductor.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、超伝導体を利用した加工装置及び加工方法に関する。本発明は、切削加工、研削、研磨などの生産加工に関連する技術分野に適用可能である。生産加工技術は全ての機械で必要な要素技術であり、工作機械分野から自動車、航空分野、輸送、ロボット、建築など多くの分野に適用可能である。また本発明は、工具が空中に浮遊するため、従来の生産加工とは異なり、工具の干渉による加工形状の制約がなくなるため、従来では困難である中空加工などの技術分野に有効である。   The present invention relates to a processing apparatus and a processing method using a superconductor. The present invention can be applied to technical fields related to production processing such as cutting, grinding, and polishing. Production processing technology is a necessary elemental technology for all machines, and can be applied to many fields from machine tool field to automobile, aviation field, transportation, robot, and architecture. Further, the present invention is effective in technical fields such as hollow machining, which is difficult in the prior art, because the tool floats in the air, and unlike the conventional production machining, there is no restriction on the machining shape due to tool interference.

従来の加工技術として、切削加工、研削加工、ラッピング、ポリシングなどが実用化されている。これらの除去加工を行なうための工作機械として、全ての加工法に共通することは被加工物外部から棒状や円板上の工具を押しつけ表面から加工を進行させるため、中空加工など物理的に困難である。一方、特殊加工としては、電気化学加工や粒子ビーム加工、レーザ加工などが実用化されている。これらの加工法に関して深穴部分など選択的に加工を行なうことは可能であるが、複雑形状に中空加工を行なうことは困難である。中空加工技術に関しては、近年磁気援用加工などの用途が報告されているが、本技術では磁力で磁性粒子を引きつけているため、配管内の加工など限定的であった。そのため、中空加工に関するニーズがあったにも関わらず、加工手法そのものが考案されていないのが現状である。   Cutting, grinding, lapping, polishing, etc. have been put to practical use as conventional processing techniques. As a machine tool for performing these removal processes, what is common to all processing methods is that it is physically difficult such as hollow processing because the tool is pressed from the outside of the work piece and pressed from the surface of the work piece to push the tool from the surface. It is. On the other hand, electrochemical processing, particle beam processing, laser processing, etc. have been put to practical use as special processing. Although it is possible to selectively process a deep hole portion with respect to these processing methods, it is difficult to perform hollow processing into a complicated shape. With regard to the hollow processing technology, applications such as magnetically assisted processing have been reported in recent years. However, since this technology attracts magnetic particles by magnetic force, processing in piping is limited. Therefore, in spite of the need for hollow machining, the present situation is that the machining technique itself has not been devised.

一方、超伝導技術に関してはリニアモーターカーなどの高速列車へ実用化されている。超伝導技術は超伝導のもつ反磁性の性質を有しており、超伝導物質の導入により10cm程度浮上させることができる。そのため、愛知万博で導入された常伝導リニアモーターカーとは異なり、高速かつ安全に走行することが可能となる。これらの超伝導技術は主に液体ヘリウム温度まで冷却する必要があるが、近年YBCOなど多くの高温超伝導物質が提案されている。これまで、本発明者らは、磁場中で超伝導化することで、強力に磁化することによる吸引力を利用することで加工を行なうことを提案してきた(非特許文献1参照)。しかしながら、非特許文献1に開示のような吸引力を利用する手法では、基本的には磁性援用加工と同様に吸引力のみで実際に複雑形状に適用出来ない。また、非特許文献1に開示の技術では工具を低温に冷却する必要があるため、冷却機構など構造が複雑化する。   On the other hand, superconducting technology has been put to practical use in high-speed trains such as linear motor cars. Superconducting technology has the diamagnetic nature of superconductivity, and can be levitated about 10 cm by introducing a superconducting material. Therefore, unlike the normal linear motor car introduced at the Aichi Expo, it is possible to travel at high speed and safely. Although these superconducting technologies mainly require cooling to the liquid helium temperature, many high-temperature superconducting materials such as YBCO have been proposed in recent years. So far, the present inventors have proposed that processing is performed by utilizing attraction force by strong magnetization by superconducting in a magnetic field (see Non-Patent Document 1). However, the method using the attractive force as disclosed in Non-Patent Document 1 cannot be applied to a complicated shape by using only the attractive force basically as in the case of magnetically assisted processing. Further, in the technique disclosed in Non-Patent Document 1, since the tool needs to be cooled to a low temperature, a structure such as a cooling mechanism is complicated.

図10(A)は、非特許文献1に開示の超伝導体を用いた加工技術を説明する図であり、(B)はその加工技術に利用されるピン留め効果を説明する図であり、(C)は、磁石構成を説明する図である。X−Yステージ上にジャッキで支えた断熱容器内底部に磁石を固定し、その上に、X−Yステージとは独立した支持棒に被加工物としてCu板を設置した。さらにその上に、YBCOバルクを設置し、断熱容器内を液体窒素で満たすことで、YBCOバルクを超伝導化させる。YBCOバルクは、イットリウム系超伝導体YBa2Cu3O7原料を、混ぜ合わせて焼き固めて作成したものである。超伝導状態におけるピン留め効果によって、YBCOバルクは、磁石から一定位置に維持される。磁石の位置をジャッキにより上下動させ、また、X−Yステージによって、水平X−Y方向に移動させる。 FIG. 10A is a diagram for explaining a processing technique using the superconductor disclosed in Non-Patent Document 1, and FIG. 10B is a diagram for explaining a pinning effect used in the processing technique. (C) is a figure explaining a magnet structure. A magnet was fixed to the inner bottom portion of the heat insulating container supported by a jack on the XY stage, and a Cu plate was set as a workpiece on a support bar independent of the XY stage. Furthermore, a YBCO bulk is installed thereon, and the inside of the heat insulating container is filled with liquid nitrogen, thereby superconducting the YBCO bulk. The YBCO bulk is prepared by mixing and baking the yttrium-based superconductor YBa 2 Cu 3 O 7 raw materials. Due to the pinning effect in the superconducting state, the YBCO bulk is kept in place from the magnet. The position of the magnet is moved up and down by a jack, and is moved in the horizontal XY direction by an XY stage.

このことによって、図10(B)に示すように、周知のピン留め効果によって、磁石と超伝導体の間の距離が一定範囲に保たれる。ピン止め(ピニング)効果とは、磁束が超伝導体の内部にあるひずみや不純物など(ピン)の常伝導部分に捕らえられ、ピンで止めたように動かなくなる現象である。これによって、磁石を上下左右に移動させても、超伝導体(YBCOバルク)は、移動している磁石に追随して、常に磁石から一定高さに維持される。磁石が、例えば、上下左右方向に運動すると、支持棒に固定されているCu板に対して、YBCOバルクが相対的に上下左右方向に運動する。YBCOバルク表面を工具として加工可能であれば、Cu板表面の切削加工を行うことができる。   As a result, as shown in FIG. 10B, the distance between the magnet and the superconductor is kept in a certain range by a known pinning effect. The pinning effect is a phenomenon in which the magnetic flux is trapped in the normal conduction part of the strain or impurities (pins) inside the superconductor and stops moving as if pinned. Thereby, even if the magnet is moved up, down, left and right, the superconductor (YBCO bulk) follows the moving magnet and is always maintained at a constant height from the magnet. For example, when the magnet moves in the vertical and horizontal directions, the YBCO bulk moves in the vertical and horizontal directions relative to the Cu plate fixed to the support rod. If the YBCO bulk surface can be processed as a tool, the Cu plate surface can be cut.

しかしながら、YBCOバルク及びその表面を加工した工具によって切削加工される被加工物を、断熱容器内で液体窒素を用いて冷却する必要がある。また、ここで用いられる磁石は、図10(C)に示すように、磁石の極性が垂直方向にS極とN極が配置されている。この磁石が回転した際、工具(YBCOバルク)自体は回転するが、回転力が非常に弱いため、軽く接触したのみでは回転運動を続けるが、接触圧力を少し増加させただけで、工具が停止してしまう問題があった。そのため、実際の加工に適用するためには、工具により高い回転力を印加する必要があった。   However, it is necessary to cool the workpiece to be cut by the YBCO bulk and the tool whose surface is processed using liquid nitrogen in the heat insulating container. In addition, as shown in FIG. 10C, the magnet used here has S and N poles arranged in the vertical direction. When this magnet rotates, the tool (YBCO bulk) itself rotates, but the rotational force is very weak, so if it touches lightly, it continues to rotate, but the tool stops only by slightly increasing the contact pressure. There was a problem. Therefore, in order to apply to actual processing, it is necessary to apply a high rotational force to the tool.

日高裕、鈴木恵友ら、「超伝導体を用いた磁気援用加工技術に関する研究」、日本機械学会論文集 No158-1 pp347-pp348、 2015年3月Hirotaka Hidaka, Keito Suzuki, et al., “Research on magnetic-assisted processing technology using superconductors”, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers No158-1 pp347-pp348, March 2015

従来の加工方法では、ドリルや旋盤は工具を加工対象物に押しつけ、外部から動力により工具を回転・並進運動させることにより、工具の接触部で機械加工を実現するため、中空の複雑形状の加工は困難であった。そのため金型や医療機器の内面加工、そして自動車や飛行機のフレーム形成加工などの製品形状が複雑になった場合は、複数の部品に対して深掘りや溝加工を行なったあとに、部品同士を繋ぎ合わせる必要があった。ここでは被加工材料や繋ぎ合わせの方法など多くの制約があるため、複雑な中空形状をもつ製品自体の製作が困難な状況であった。   In conventional machining methods, drills and lathes press the tool against the workpiece and rotate and translate the tool with power from the outside to realize machining at the contact part of the tool. Was difficult. For this reason, when product shapes such as inner surface processing of molds and medical devices and frame formation processing of automobiles and airplanes become complicated, after parts are deeply digged and grooved, It was necessary to connect them together. Here, because there are many restrictions such as work materials and joining methods, it was difficult to manufacture a product having a complicated hollow shape.

さらに、浮遊工具の駆動力に関して、非特許文献1の手法(図10参照)は、磁場中で超伝導化することで強力に磁化する吸引力を利用する手法であり、吸引力のみで実際に複雑形状に適用出来ない。   Furthermore, regarding the driving force of the floating tool, the method of Non-Patent Document 1 (see FIG. 10) is a method that uses an attractive force that is strongly magnetized by superconductivity in a magnetic field, and actually uses only the attractive force. It cannot be applied to complex shapes.

本発明は、超伝導体ではなく、工具として機能する磁石を、ピン留め効果により一定の場所にトラップさせることで、工具及び被加工部自体は冷却する必要性を無くして被加工物を常温で加工可能にして、複雑な製品形状に適用可能なフレキシビリティーをもった加工を実現することを目的としている。   In the present invention, a magnet functioning as a tool, not a superconductor, is trapped in a certain place by a pinning effect, so that it is not necessary to cool the tool and the work part itself, and the work piece is kept at room temperature. The purpose is to realize machining that is flexible and can be applied to complex product shapes.

また、本発明は、磁石極性の配置を工夫することで、十分な駆動力を得ることを目的としている。工具の回転運動では浮遊した工具を被加工面に加圧した際、摩擦力により工具の運動を妨げる力が作用する。このとき工具の駆動力が低い場合、この摩擦力により工具自体が運動できないため、十分に加工をすることができない。本発明によれば、このような問題を解決することができる。   Another object of the present invention is to obtain a sufficient driving force by devising the arrangement of magnet polarities. In the rotational movement of the tool, when a floating tool is pressed onto the work surface, a force that impedes the movement of the tool due to frictional force acts. At this time, if the driving force of the tool is low, the tool itself cannot move due to this frictional force, so that sufficient machining cannot be performed. According to the present invention, such a problem can be solved.

本発明の加工装置及び加工方法は、保持手段に保持した被加工物に対して回転又は振動する工具を押しつけて加工する。回転駆動される回転台又は振動駆動される振動台上に設置された断熱容器内に冷却した超伝導体を収容固定する。この超伝導体に隣接して工具として機能する磁石を配置し、加工運転中には、超伝導体が有するピン留め効果を利用することで、磁石を超伝導体から一定の高さ位置に留まらせて浮上させつつ、回転駆動又は振動駆動される超伝導体に追随して磁石を駆動する。被加工物及び超伝導体の少なくとも一方を、超伝導体表面と平行な水平面内方向及び該水平面と直交する垂直方向の少なくともいずれか一方向に移動可能に構成した送り手段を備え、被加工物及び超伝導体の少なくとも一方の送りを制御することで被加工物を加工する。   The processing apparatus and the processing method of the present invention perform processing by pressing a tool that rotates or vibrates against the workpiece held by the holding means. A cooled superconductor is accommodated and fixed in a heat-insulated container installed on a rotating table or a vibration table that is driven to rotate. A magnet that functions as a tool is placed adjacent to this superconductor, and the pinning effect of the superconductor is used during machining operations to keep the magnet at a certain height from the superconductor. The magnet is driven following the superconductor that is driven to rotate or vibrate while floating. A feed unit configured to move at least one of the workpiece and the superconductor in at least one of a horizontal plane direction parallel to the superconductor surface and a vertical direction perpendicular to the horizontal plane; And the workpiece is processed by controlling the feed of at least one of the superconductors.

被加工物又は超伝導体を移動可能に構成した送り手段は、水平面内で直交する二方向に移動可能にするX-Yステージ及び垂直方向に移動可能にするZステージを組み合わせて構成する。被加工物の加工は、切削加工、又は研磨材を用いた表面研磨である。   The feeding means configured to move the workpiece or the superconductor is configured by combining an XY stage that can move in two orthogonal directions in a horizontal plane and a Z stage that can move in the vertical direction. The processing of the workpiece is cutting or surface polishing using an abrasive.

超伝導体は、イットリウム系超伝導体YBa2Cu3O7原料を、混ぜ合わせて焼き固めて作成したYBCOバルクが好ましい。磁石形状は、ドーナツ形状、円板状、矩形形状、もしくは円柱状である。磁石は、2極、4極、或いはそれ以上のS極やN極の磁極を、同一面上に配列する。磁石を複数個同一面上に配置して、この複数個の磁石が相互に働く力を利用することができる。工具として機能する磁石は、磁石表面に加工用の砥粒を固定するか、又は表面に工具形状を有した金属板を貼付けて構成し、若しくは磁石表面を刃物形状に加工して構成する。 The superconductor is preferably YBCO bulk prepared by mixing and baking the yttrium-based superconductor YBa 2 Cu 3 O 7 raw materials. The magnet shape is a donut shape, a disk shape, a rectangular shape, or a cylindrical shape. The magnet has two, four, or more S and N poles arranged on the same plane. A plurality of magnets can be arranged on the same surface, and the force with which these magnets work can be used. The magnet functioning as a tool is configured by fixing abrasive grains for processing on the magnet surface, or affixing a metal plate having a tool shape on the surface, or processing the magnet surface into a blade shape.

本発明によれば、超伝導体のもつピン留め(ピンニング)効果を利用することで、工具を空中の一定の場所に浮上させつつ加工を行なうことができる。   According to the present invention, by utilizing the pinning effect of the superconductor, it is possible to perform processing while the tool is levitated to a certain place in the air.

本発明によれば、ピン留め効果を利用しつつも、工具及び加工物を冷却する必要性の無い常温での加工を可能にして、従来の加工法では困難とされてきた中空でかつ複雑形状の加工が実現できる。また、本発明は、常温で加工することが可能であるために、浮遊工具で切削する工程以外に、研磨材など専用の液体を使用することで加工効率の向上が期待できる。   According to the present invention, while utilizing the pinning effect, it is possible to perform processing at room temperature without the need to cool the tool and the work piece, and the hollow and complicated shape that has been difficult with the conventional processing method Can be realized. In addition, since the present invention can be processed at room temperature, an improvement in processing efficiency can be expected by using a dedicated liquid such as an abrasive other than the step of cutting with a floating tool.

また、本発明によれば、金型などすでに一旦中空状になった構造物に対して、内面の研削やラッピングやポリシングに対しても有効である。特に、磁石を空中に浮遊している際、加工エリアは常温より高い温度であるため、従来のように研磨液の利用が有効である。   Further, according to the present invention, it is effective for grinding, lapping and polishing of the inner surface of a structure which has already been once hollow, such as a mold. In particular, when the magnet is suspended in the air, the processing area is at a temperature higher than room temperature, so that it is effective to use a polishing liquid as in the past.

本発明の機械加工技術は自動車などの輸送機器や、電子機器、MEMS、医療、住宅など幅広い分野で必要不可欠な技術であるため適用分野を格段に広げることができる。   Since the machining technology of the present invention is an indispensable technology in a wide range of fields such as transportation equipment such as automobiles, electronic equipment, MEMS, medical care, and housing, the applicable fields can be greatly expanded.

医療分野においては、中空加工により内視鏡などの医療器具自身の応用のほか、空中浮揚させた球形工具部をメスとして体内に挿入させ、腫瘍、血栓などの患部を選択的に切除・捕捉することにより、従来の医療では不可能とされていた治療法へ応用することができる。   In the medical field, in addition to the application of medical devices such as endoscopes by hollow processing, a spherical tool part that is levitated in the air is inserted into the body as a scalpel, and the affected part such as a tumor or thrombus is selectively excised and captured. Therefore, it can be applied to treatment methods that have been impossible in conventional medicine.

自動車分野、航空機分野においては、エンジン部分やフレームの肉厚部分を中空加工することにより薄肉化することが可能になり、強度を維持したまま軽量化が可能となる。   In the automotive field and the aircraft field, it is possible to reduce the thickness by hollow processing the thick part of the engine part and the frame, and it is possible to reduce the weight while maintaining the strength.

MEMS分野においては、従来、ドライエッチングなど半導体プロセスにより溝加工を行い、基板同士を張り合わせることで液体流路を形成し、新薬や触媒の生成のためのマイクロリアクターに応用されてきた。本発明では中空加工により、液体流路の張り合わせを行なう必要がなく一回工程で加工ができる。例えばマイクロモータ、マイクロアクチュエータ、マイクロリアクター等の製作などに応用することができる。   In the MEMS field, conventionally, grooves have been processed by a semiconductor process such as dry etching, and substrates are bonded together to form a liquid flow path, which has been applied to microreactors for the production of new drugs and catalysts. In the present invention, it is not necessary to bond the liquid flow paths by hollow processing, and processing can be performed in a single step. For example, it can be applied to the production of micromotors, microactuators, microreactors and the like.

本発明に基づき構成した加工装置を、被加工物(ワーク)の移動による加工に適用した第1の例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the 1st example which applied the processing apparatus comprised based on this invention to the process by the movement of a workpiece (workpiece). 本発明に基づき構成した加工装置を、加工工具の移動による加工に適用した第2の例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the 2nd example which applied the processing apparatus comprised based on this invention to the process by the movement of a processing tool. 本発明に基づき構成した加工装置を、振動子による振動加工に適用した第3の例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the 3rd example which applied the processing apparatus comprised based on this invention to the vibration processing by a vibrator | oscillator. 本発明の加工技術に利用されるピン留め効果を利用した磁気浮遊方式を説明する図である。It is a figure explaining the magnetic floating system using the pinning effect utilized for the processing technique of this invention. 本発明に基づき構成した加工装置において用いることのできる磁石構成の第1の例として、片面2極磁石を説明する図である。It is a figure explaining the single-sided dipole magnet as a 1st example of the magnet structure which can be used in the processing apparatus comprised based on this invention. 本発明に基づき構成した加工装置において用いることのできる磁石構成の第2の例として、片面4極磁石を説明する図である。It is a figure explaining a single-sided quadrupole magnet as a 2nd example of the magnet structure which can be used in the processing apparatus comprised based on this invention. 複数の磁石を用いる場合を説明する図である。It is a figure explaining the case where a several magnet is used. 中空L字加工実験に使用した加工装置の概略構成図であり、(a)及び(b)は、それぞれL字加工の第1及び第2のステップを示している。It is a schematic block diagram of the processing apparatus used for the hollow L-shaped process experiment, (a) And (b) has shown the 1st and 2nd step of the L-shaped process, respectively. 図8に示す超伝導体及び磁石部分の上面からみた写真(A)と、加工後の被加工物の写真(B)である。It is the photograph (A) seen from the upper surface of the superconductor shown in FIG. 8, and a magnet part, and the photograph (B) of the workpiece after a process. (A)は、非特許文献1に開示の超伝導体を用いた加工技術を説明する図であり、(B)はその加工技術に利用されるピン留め効果を説明する図であり、(C)は、磁石構成を説明する図である。(A) is a figure explaining the processing technique using the superconductor of a nonpatent literature 1, (B) is a figure explaining the pinning effect utilized for the processing technique, (C () Is a figure explaining a magnet structure.

以下、例示に基づき本発明を説明する。図1は、本発明に基づき構成した加工装置を、被加工物(ワーク)の移動による加工に適用した第1の例を示す概略構成図である。図1において、モータにより回転駆動される回転台上に設置された断熱容器(例えば、発泡スチロール製)内に液体窒素やコールドガスで冷却した超伝導体を収容固定する。この超伝導体の上には、円形工具として機能する磁石が隣接して配置される。この磁石は、加工運転中には、超伝導のもつピン留め(ピンニング)効果を利用することで、超伝導体から一定の高さ位置に留まらせて浮上させる。このように、超伝導体は冷却する必要があるが、磁石及び被加工物は常温状態にして加工が可能であるため、研磨材など併用も可能であることから、加工効率の高効率化が期待できる。   Hereinafter, the present invention will be described based on examples. FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a first example in which a processing apparatus configured according to the present invention is applied to processing by movement of a workpiece (workpiece). In FIG. 1, a superconductor cooled with liquid nitrogen or cold gas is accommodated and fixed in a heat insulating container (for example, made of polystyrene foam) installed on a turntable rotated by a motor. A magnet that functions as a circular tool is disposed adjacent to the superconductor. During the machining operation, this magnet stays at a certain height from the superconductor and floats by utilizing the pinning effect of superconductivity. As described above, although the superconductor needs to be cooled, since the magnet and the workpiece can be processed at room temperature, it can be used in combination with abrasives, so that the processing efficiency can be improved. I can expect.

被加工物は、回転駆動される超伝導体及びそれに追随して駆動される磁石(円形工具)とは独立して、超伝導体表面と平行な水平面内で直交するX方向、Y方向、水平面と直交する垂直方向(Z方向)の内の少なくとも1方向に送り可能にする。被加工物の送り手段としては、フレームとX-Yステージ及びZステージを組み合わせて実現される。加工方法としては、回転駆動される超伝導体に追随して駆動される磁石(円形工具)に対して、被加工物をX-Yステージ及びZステージで送りを制御することで加工する方法である。   The workpiece is independent of the rotationally driven superconductor and the magnet (circular tool) driven following it, and is orthogonal to the superconductor surface in the X, Y, and horizontal planes. It is possible to feed in at least one of the vertical directions (Z direction) orthogonal to the direction. The workpiece feeding means is realized by combining a frame, an XY stage, and a Z stage. As a processing method, a workpiece is processed by controlling the feed with an XY stage and a Z stage with respect to a magnet (circular tool) driven following a superconductor that is rotationally driven.

図2は、本発明に基づき構成した加工装置を、加工工具の移動による加工に適用した第2の例を示す概略構成図である。図2に示す第2の例は、回転駆動される超伝導体を、さらに、水平面内方向(X方向、Y方向)、垂直方向(Z方向)の内の少なくとも1方向に移動可能にするX-Yステージ及びZステージを追加した点のみで、図1に示す第1の例とは相違する。このX-Yステージ及びZステージが、超伝導体の送り手段を構成している。このように、回転駆動される超伝導体か、或いは被加工物の少なくとも一方を、X方向、Y方向、Z方向の内の少なくとも1方向に移動可能にする送り手段を備える必要があるが、その両方に備える必要は必ずしも無い。それ故に、図2に示す第2の例において、被加工物をX方向、Y方向、Z方向に移動可能にする送り手段は必ずしも必要ではなく、被加工物を超伝導体とは独立して固定されるフレームに対して直接固定するのみでも良い。   FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing a second example in which the machining apparatus constructed according to the present invention is applied to machining by moving a machining tool. The second example shown in FIG. 2 is an XY that enables a rotationally driven superconductor to move further in at least one of a horizontal plane direction (X direction, Y direction) and a vertical direction (Z direction). It differs from the first example shown in FIG. 1 only in that a stage and a Z stage are added. The X-Y stage and the Z stage constitute a superconductor feeding means. In this way, it is necessary to provide a feed means that enables the rotationally driven superconductor or at least one of the workpieces to move in at least one of the X direction, the Y direction, and the Z direction. It is not always necessary to prepare for both. Therefore, in the second example shown in FIG. 2, it is not always necessary to provide a feed means that can move the workpiece in the X, Y, and Z directions, and the workpiece is independent of the superconductor. It may be fixed directly to the frame to be fixed.

図3は、本発明に基づき構成した加工装置を、振動子による振動加工に適用した第3の例を示す概略構成図である。図3に示す第3の例は、超伝導体を回転駆動する図1に示す第1の例とは異なり、振動子による振動機構を備えた点でのみ相違する。振動機構は、例えば、電磁石等を用いて振動駆動される振動子に結合した振動台によって構成する。この振動台に対しては、第1の例と同様に、その上に設置された断熱容器(例えば、発泡スチロール製)内に液体窒素やコールドガスで冷却した超伝導体を収容固定する。   FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing a third example in which the processing apparatus configured according to the present invention is applied to vibration processing using a vibrator. The third example shown in FIG. 3 differs from the first example shown in FIG. 1 in which the superconductor is rotationally driven, only in that a vibration mechanism using a vibrator is provided. The vibration mechanism is configured by a vibration table coupled to a vibrator that is driven to vibrate using an electromagnet or the like, for example. As with the first example, a superconductor cooled with liquid nitrogen or cold gas is accommodated and fixed in a heat insulating container (for example, made of polystyrene foam) installed on the shaking table.

本発明における被加工物としては、強磁性体以外の全ての材料に適用可能である。例えば、ステンレス(強磁性体のものを除く)やアルミ、銅、真鍮、樹脂類などが対象である。ここでは切削加工の他、研磨材を用いることにより表面研磨なども可能である。また、現在、3Dプリンターやアディティブマニュファクチャリングなど造形技術の進展により複雑形状が開発されているが、造形後の表面性状などを改善する手段は確立されていない。そのため、本発明による表面研削や研磨技術を適用することにより、造形物の表面や内面などの表面性状を改善することが可能である。   The workpiece in the present invention can be applied to all materials other than ferromagnetic materials. For example, stainless steel (except for ferromagnetic materials), aluminum, copper, brass, and resins are targeted. Here, in addition to cutting, surface polishing can be performed by using an abrasive. In addition, complex shapes have been developed with the progress of modeling techniques such as 3D printers and additive manufacturing, but no means for improving the surface properties after modeling has been established. Therefore, by applying the surface grinding or polishing technique according to the present invention, it is possible to improve the surface properties such as the surface and the inner surface of the shaped article.

第1の例、第2の例、第3の例において、加工時には、円形工具を一定の場所にトラップした状態で、被加工物を円形工具に対して相対的にX方向、Y方向、Z方向の内の少なくとも1方向に移動させる。円形工具に対する被加工物の相対的な移動は、必ずしも被加工物を移動させることによって行う必要は無く、被加工物を固定した状態で、工具が追随する超伝導体を移動させても良い。この円形工具は、回転運動或いは振動を与えることにより中空加工を行なうことも可能となる。   In the first example, the second example, and the third example, when processing, the workpiece is relatively moved with respect to the circular tool in the X direction, the Y direction, and the Z direction while the circular tool is trapped in a certain place. Move in at least one of the directions. The relative movement of the workpiece with respect to the circular tool is not necessarily performed by moving the workpiece, and the superconductor that the tool follows may be moved while the workpiece is fixed. This circular tool can be hollowed by applying a rotational motion or vibration.

第1の例、第2の例、第3の例において、超伝導体、磁石、被加工物及びその支持手段を含む加工装置全体を、上下反転した状態で加工運転することができる。この場合、磁石は超伝導体の下に隣接配置して、加工運転中には、超伝導体から一定の高さ位置に留まらせて超伝導体の下方に浮上させることになる。   In the first example, the second example, and the third example, the entire processing apparatus including the superconductor, the magnet, the workpiece, and the supporting means thereof can be processed in a state of being inverted upside down. In this case, the magnet is disposed adjacent to the superconductor, and stays at a certain height from the superconductor and floats below the superconductor during the processing operation.

円形工具の回転運動或いは振動は、超伝導体の動きに追随するので、超伝導体に回転運動或いは振動を与えることにより行う。このように、超伝導体の運動軌跡を制御することにより、中空かつ複雑形状の加工であっても可能になる。但し、本発明の加工技術は、従来の加工技術として行われているように、工具を外部から押しつけ被加工物の表面から加工を進行させる切削加工、研削加工、ラッピング、ポリシングなどを行うことも可能である。   Since the rotational movement or vibration of the circular tool follows the movement of the superconductor, it is performed by applying the rotational movement or vibration to the superconductor. Thus, by controlling the motion trajectory of the superconductor, it becomes possible to process a hollow and complicated shape. However, the processing technique of the present invention may also perform cutting, grinding, lapping, polishing, etc., in which the tool is pressed from the outside and the processing proceeds from the surface of the workpiece, as is the case with conventional processing techniques. Is possible.

図4は、本発明の加工技術に利用されるピン留め効果を利用した磁気浮遊方式を説明する図である。ピン留め効果は、図10(B)を参照して説明したようにそれ自体周知のものであるが、本発明は、超伝導体と磁石の配置を図10(B)とは逆にして利用する。このピン留め効果によって、磁石と超伝導体の間の距離が一定範囲に保たれる。図4において、運動軌跡を制御するのは超伝導体であって、この超伝導体から一定高さに維持されるのは工具として機能する磁石である。これによって、工具及び被加工部自体を冷却する必要は無く、常温での加工が可能となる。さらに、被加工部に対する工具の吸引力だけでなく、押しつけ力を利用することもできるので、複雑形状の加工が可能となる。   FIG. 4 is a diagram for explaining a magnetic floating system using a pinning effect used in the processing technique of the present invention. Although the pinning effect is known per se as described with reference to FIG. 10B, the present invention uses the arrangement of the superconductor and the magnet opposite to FIG. 10B. To do. This pinning effect keeps the distance between the magnet and the superconductor within a certain range. In FIG. 4, it is a superconductor that controls the movement trajectory, and a magnet that functions as a tool is maintained at a constant height from this superconductor. As a result, there is no need to cool the tool and the processed part itself, and processing at room temperature is possible. Furthermore, since not only the suction force of the tool with respect to a to-be-processed part but pressing force can also be utilized, the process of a complicated shape is attained.

超伝導体には、磁場の反応の違いから第一種超伝導体と第二種超伝導体の二種類がある。超伝導体内部に磁束が進入している状態のときにピン止め効果が起きるのも第二種超伝導体の特徴である。本発明が利用するピン止め(ピニング)効果とは、磁束が第二種超伝導体の内部にあるひずみや不純物などの常伝導部分に捕らえられ、ピンで止めたように動かなくなる現象である。磁束を完全に排除する第一種超伝導体にはみられない現象である。   There are two types of superconductors: type 1 superconductors and type 2 superconductors due to the difference in magnetic field reaction. It is also a feature of the type 2 superconductor that a pinning effect occurs when magnetic flux enters the superconductor. The pinning effect utilized by the present invention is a phenomenon in which magnetic flux is trapped by normal conduction parts such as strains and impurities inside the type II superconductor and does not move as if pinned. This phenomenon is not seen in Type 1 superconductors that completely eliminate magnetic flux.

本発明で用いる超伝導体としては、イットリウム系超伝導体YBa2Cu3O7原料を、混ぜ合わせて焼き固めて作成したYBCOバルクがコストの安い液体窒素で超電導化することができるために望ましい。但し、合金や化合物からなる超伝導体、銅酸化物高温超伝導体、ニオブ(Nb)とバナジウム (V)等の第二種超伝導体を用いることができる。バルクの超伝導体に重粒子線を照射したり、不純物を導入したりすることでわざと欠陥をつくり、この欠陥に磁束をトラップする手法とか、超伝導薄膜においてはリソグラフィとエッチングによって三角格子状の穴(Anti-dots)を無数に開ける手法などが従来より知られている。 The superconductor used in the present invention is desirable because the YBCO bulk produced by mixing and baking the yttrium-based superconductor YBa 2 Cu 3 O 7 raw material can be superconducted with low-cost liquid nitrogen. . However, a superconductor made of an alloy or a compound, a copper oxide high temperature superconductor, or a second type superconductor such as niobium (Nb) and vanadium (V) can be used. Irregularly creating defects by irradiating bulk superconductors with heavy particle beams or introducing impurities, trapping magnetic flux in these defects, and superconducting thin films with triangular lattices by lithography and etching There have been known methods for opening countless holes (anti-dots).

図5は、本発明に基づき構成した加工装置において用いることのできる磁石構成の第1の例として、片面2極磁石を説明する図である。磁石形状は、例示のようなドーナツ形状、或いは円板状である。但し、図3に示すように、振動によって切削する場合、磁石形状を矩形や円柱状にすることも可能である。2極、4極(図6参照)、或いはそれ以上のS極やN極の磁極を、同一面上に配列することで、回転運動の駆動が可能となる。従来技術のように回転や振動運動方向に対して極性が同一の場合、工具自体は浮遊するが、駆動力が得られ難いため少なくとも同一面内に極性の異なる磁性体が存在することが好ましい。円形工具は振動や回転運動を与えることにより切削を行なうことが可能となる。また、加工時においては工具を一定の場所にトラップした状態で、被加工物を加工方法へスライドさせる。この運動軌跡を制御することにより、中空状態でかつ複雑形状が可能な加工が可能となる。   FIG. 5 is a diagram illustrating a single-sided dipole magnet as a first example of a magnet configuration that can be used in a machining apparatus configured according to the present invention. The magnet shape is a donut shape or a disk shape as illustrated. However, as shown in FIG. 3, when cutting by vibration, the magnet shape may be rectangular or cylindrical. Rotating motion can be driven by arranging two or four poles (see FIG. 6) or more S poles or N poles on the same plane. When the polarities are the same with respect to the direction of rotation or vibration as in the prior art, the tool itself floats, but it is difficult to obtain a driving force, so it is preferable that magnetic bodies having different polarities exist at least in the same plane. A circular tool can be cut by applying vibration or rotational motion. At the time of machining, the workpiece is slid to the machining method with the tool trapped in a certain place. By controlling this movement trajectory, it is possible to perform processing that is hollow and capable of a complicated shape.

図5に例示の片面2極の場合、θ方向の回転駆動は可能であるが、Φ方向の回転駆動はできない。但し、S極とN極の境界部分を軸とするΦ方向の外力による回転に対しても自由度が発生する。そのため、Φ方向に追従性が生じる。   In the case of the single-sided bipolar shown in FIG. 5, rotational driving in the θ direction is possible, but rotational driving in the Φ direction is not possible. However, a degree of freedom also occurs with respect to rotation due to an external force in the Φ direction about the boundary between the S pole and the N pole. Therefore, followability occurs in the Φ direction.

磁石としては、ネオジウム磁石、サマリウムコバルト磁石、異方性フェライト磁石などが好ましい。また、工具自体は磁石表面に加工用の砥粒を固定するタイプや表面に工具形状を有した金属板を表面に貼付けるタイプが挙げられる.また、樹脂などの軟かい材料に関しては、磁石表面を刃物形状に加工する手法も可能である。   As the magnet, a neodymium magnet, a samarium cobalt magnet, an anisotropic ferrite magnet or the like is preferable. In addition, the tool itself includes a type in which abrasive grains for processing are fixed on the magnet surface and a type in which a metal plate having a tool shape on the surface is attached to the surface. For soft materials such as resin, a method of processing the magnet surface into a blade shape is also possible.

図6は、本発明に基づき構成した加工装置において用いることのできる磁石構成の第2の例として、片面4極磁石を説明する図である。図5に示す第1の例とは、極数を4極にした点でのみ相違する。例示のように、水平面内に4極以上存在する場合、θ方向の回転駆動だけでなく、Φ方向の回転駆動も可能である。図6の表中の従来技術は、図10(C)に示す磁極配列を示している。   FIG. 6 is a diagram illustrating a single-sided quadrupole magnet as a second example of a magnet configuration that can be used in a processing apparatus configured according to the present invention. It differs from the first example shown in FIG. 5 only in that the number of poles is four. As illustrated, when there are four or more poles in the horizontal plane, not only the rotation drive in the θ direction but also the rotation drive in the Φ direction is possible. The prior art in the table of FIG. 6 shows the magnetic pole arrangement shown in FIG.

図7は、複数の磁石を用いる場合を説明する図であり、(A)は加工前を示し、(B)は加工後を例示している。図7(A)に示すように、複数個(2個として例示)の磁石を同一面上に配置する。複数の浮遊磁石のS極とN極の配置に応じて、磁石同士が互いに引き合ったり、反発する。ここでは単純にピンニングの力以外に、この磁石の力を利用することにより、例えば、図7(B)のように、円柱状の被加工物を円錐状に加工することが可能になる。   FIG. 7 is a diagram for explaining a case where a plurality of magnets are used, in which (A) shows before processing, and (B) shows after processing. As shown in FIG. 7A, a plurality of (illustrated as two) magnets are arranged on the same plane. Depending on the arrangement of the S pole and N pole of a plurality of floating magnets, the magnets attract each other or repel each other. Here, by simply using the force of this magnet in addition to the pinning force, for example, as shown in FIG. 7B, a cylindrical workpiece can be processed into a conical shape.

本発明に基づき構成した加工装置により、中空L字加工が可能であることを実験により確認した。以下、実験に用いた装置概要を示す図8、及び中空加工後の被加工物の写真である図9を参照して、実験結果を説明する。   It was confirmed by experiment that hollow L-shaped processing is possible with the processing apparatus configured according to the present invention. Hereinafter, the experimental results will be described with reference to FIG. 8 showing the outline of the apparatus used in the experiment and FIG. 9 which is a photograph of the workpiece after hollow machining.

図8は、中空L字加工実験に使用した加工装置の概略構成図であり、(a)及び(b)は、それぞれL字加工の第1及び第2のステップを示している。図1に示す例と同様に、回転台上に設置された断熱容器内に液体窒素で冷却した超伝導体を収容固定する一方、この超伝導体の上方には、円形工具として機能する磁石が配置される。この磁石は、加工運転中には、超伝導のもつピン留め効果を利用することで、超伝導体から一定の高さ位置に浮上させる。   FIG. 8 is a schematic configuration diagram of the processing apparatus used in the hollow L-shaped processing experiment, and (a) and (b) show the first and second steps of the L-shaped processing, respectively. As in the example shown in FIG. 1, a superconductor cooled with liquid nitrogen is accommodated and fixed in a heat insulating container installed on a turntable, and a magnet functioning as a circular tool is placed above the superconductor. Be placed. During the machining operation, this magnet is levitated to a certain height position from the superconductor by utilizing the pinning effect of superconductivity.

被加工物を垂直方向に加工する第1ステップにおいて、円形工具を一定の場所にトラップした状態で、被加工物を円形工具の方に押しつけるように移動させる。円形工具は振動や回転運動を与えることによって、図中に示す切削部を切除する。次に、切削部内に工具が入っている状態で、第2ステップとして、被加工物を水平送りさせる。この第1及び第2のステップによって、中空L字加工を行なうことが可能となる。   In the first step of machining the workpiece in the vertical direction, the workpiece is moved so as to be pressed against the circular tool while the circular tool is trapped in a certain place. The circular tool cuts off the cutting portion shown in the figure by applying vibration and rotational motion. Next, in a state where the tool is in the cutting part, the workpiece is horizontally fed as a second step. By these first and second steps, it becomes possible to perform hollow L-shaped processing.

図9は、図8に示す超伝導体及び磁石部分の上面からみた写真(A)と、加工後の被加工物の写真(B)である。本実験装置では円板上の金属底盤でできた回転台上に発砲スチロールでできた断熱容器を固定する。その中に超伝導体YBCOを挿入する。超伝導体バルク形状は、本実験では直径15mm角、厚さ10mm程度の超伝導バルクを4つ配置した。超伝導バルクの寸法については、加工対象物の寸法に依存する。その上にネオジウムマグネットを空中で保持した状態で断熱容器に液体窒素を注入する。そして、磁石がピンニングによりトラップした後、回転台を回転させることで磁石も回転させる。このときの回転数は60回転である。浮遊した磁石表面には紙ヤスリが貼付けられており、この砥石により加工をおこなった。磁石の寸法は直径20mm程度である。図9(B)は加工後の被加工物について示す。本実験では四角柱の発砲スチロールを用いて加工をおこなったが、図9(B)では加工より形成された穴が確認できる。このときの穴の寸法は磁石の直径及び厚さと同等である。したがって、磁石の軌跡にしたがって穴が形成されたことが確認できた。また、ここでは加工中に磁石が発砲スチロールに挿入したとき、垂直運動した場合でも同様に被加工物の運動を反映して加工が進行することが確認できた。
FIG. 9 is a photograph (A) seen from the top surface of the superconductor and magnet part shown in FIG. 8, and a photograph (B) of the workpiece after processing. In this experimental apparatus, a heat insulating container made of foamed polystyrene is fixed on a turntable made of a metal bottom on a disk. The superconductor YBCO is inserted into it. In this experiment, four superconductor bulks having a diameter of 15 mm square and a thickness of about 10 mm were arranged in this experiment. The size of the superconducting bulk depends on the size of the workpiece. On top of that, liquid nitrogen is injected into the heat insulating container while holding the neodymium magnet in the air. And after a magnet traps by pinning, a magnet is also rotated by rotating a turntable. The rotation speed at this time is 60 rotations. A paper file was affixed to the surface of the floating magnet, and processing was performed using this grindstone. The size of the magnet is about 20mm in diameter. FIG. 9B shows the workpiece after processing. In this experiment, the processing was performed using a square column foamed polystyrene, but in FIG. 9B, the holes formed by the processing can be confirmed. The hole dimensions at this time are equivalent to the diameter and thickness of the magnet. Therefore, it was confirmed that the hole was formed according to the trajectory of the magnet. In addition, here, when the magnet was inserted into the foamed polystyrene during machining, it was confirmed that the machining progressed similarly reflecting the movement of the workpiece even when it moved vertically.

Claims (9)

保持手段に保持した被加工物に対して回転又は振動する工具を押しつけて被加工物を加工する加工装置において、
回転駆動される回転台又は振動駆動される振動台上に設置された断熱容器内に冷却した超伝導体を収容固定し、
該超伝導体に隣接して前記工具として機能する磁石を配置し、加工運転中には、前記超伝導体が有するピン留め効果を利用することで、前記磁石を該超伝導体から一定の高さ位置に留まらせて浮上させつつ、回転駆動又は振動駆動される前記超伝導体に追随して前記磁石を駆動し、
前記被加工物及び前記超伝導体の少なくとも一方を、超伝導体表面と平行な水平面内方向及び該水平面と直交する垂直方向の少なくともいずれか一方向に移動可能に構成した送り手段を備え、
前記被加工物及び前記超伝導体の少なくとも一方の送りを制御することで前記被加工物を加工する加工装置。
In a processing apparatus for processing a workpiece by pressing a tool that rotates or vibrates against the workpiece held by a holding means,
The cooled superconductor is housed and fixed in a heat-insulated container installed on a rotating table or a vibration table that is driven to rotate,
A magnet functioning as the tool is disposed adjacent to the superconductor, and the magnet is moved from the superconductor to a certain height by using the pinning effect of the superconductor during processing operation. Driving the magnet following the superconductor that is driven to rotate or vibrate while staying in position and floating,
A feed means configured to move at least one of the workpiece and the superconductor in at least one of a horizontal plane direction parallel to the superconductor surface and a vertical direction perpendicular to the horizontal plane;
A processing apparatus for processing the workpiece by controlling feeding of at least one of the workpiece and the superconductor.
前記被加工物又は前記超伝導体を移動可能に構成した送り手段は、前記水平面内で直交する二方向に移動可能にするX-Yステージ及び前記垂直方向に移動可能にするZステージを組み合わせて構成した請求項1に記載の加工装置。 The feeding means configured to move the workpiece or the superconductor is configured by combining an XY stage that can move in two orthogonal directions in the horizontal plane and a Z stage that can move in the vertical direction. The processing apparatus according to claim 1. 前記被加工物の加工は、切削加工、又は研磨材を用いた表面研磨である請求項1に記載の加工装置。 The processing apparatus according to claim 1, wherein the processing of the workpiece is cutting or surface polishing using an abrasive. 前記超伝導体は、イットリウム系超伝導体YBa2Cu3O7原料を、混ぜ合わせて焼き固めて作成したYBCOバルクである請求項1に記載の加工装置。 2. The processing apparatus according to claim 1, wherein the superconductor is a YBCO bulk prepared by mixing and baking yttrium-based superconductor YBa 2 Cu 3 O 7 raw materials. 前記磁石形状は、ドーナツ形状、円板状、矩形形状、もしくは円柱状である請求項1に記載の加工装置。 The processing apparatus according to claim 1, wherein the magnet shape is a donut shape, a disk shape, a rectangular shape, or a columnar shape. 前記磁石は、2極、4極、或いはそれ以上のS極やN極の磁極を、同一面上に配列した請求項1に記載の加工装置。 The processing apparatus according to claim 1, wherein the magnet has two poles, four poles, or more S poles and N poles arranged on the same plane. 前記磁石を複数個同一面上に配置して、この複数個の磁石が相互に働く力を利用する請求項1に記載の加工装置。 The processing apparatus according to claim 1, wherein a plurality of the magnets are arranged on the same surface, and a force by which the plurality of magnets interact with each other is used. 前記工具として機能する磁石は、磁石表面に加工用の砥粒を固定するか、又は表面に工具形状を有した金属板を貼付けて構成し、若しくは磁石表面を刃物形状に加工して構成した請求項1に記載の加工装置。 The magnet functioning as the tool is configured by fixing processing abrasive grains on the magnet surface, or by pasting a metal plate having a tool shape on the surface, or processing the magnet surface into a blade shape. Item 2. The processing apparatus according to Item 1. 保持手段に保持した被加工物に対して回転又は振動する工具を押しつけて被加工物を加工する加工方法において、
回転駆動される回転台又は振動駆動される振動台上に設置された断熱容器内に冷却した超伝導体を収容固定し、
該超伝導体に隣接して前記工具として機能する磁石を配置し、加工運転中には、前記超伝導体が有するピン留め効果を利用することで、前記磁石を該超伝導体から一定の高さ位置に留まらせて浮上させつつ、回転駆動又は振動駆動される前記超伝導体に追随して前記磁石を駆動し、
前記被加工物及び前記超伝導体の少なくとも一方を、超伝導体表面と平行な水平面内方向及び該水平面と直交する垂直方向の少なくともいずれか一方向に移動可能に構成し、
前記被加工物及び前記超伝導体の少なくとも一方の送りを制御することで前記被加工物を加工する加工方法。
In a processing method for processing a workpiece by pressing a tool that rotates or vibrates against the workpiece held by a holding means,
The cooled superconductor is housed and fixed in a heat-insulated container installed on a rotating table or a vibration table that is driven to rotate,
A magnet functioning as the tool is disposed adjacent to the superconductor, and the magnet is moved from the superconductor to a certain height by using the pinning effect of the superconductor during processing operation. Driving the magnet following the superconductor that is driven to rotate or vibrate while staying in position and floating,
At least one of the workpiece and the superconductor is configured to be movable in at least one of a horizontal plane direction parallel to the superconductor surface and a vertical direction perpendicular to the horizontal plane;
A processing method for processing the workpiece by controlling feeding of at least one of the workpiece and the superconductor.
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